Phát triển dòng vi khuẩn ăn khí mê tan để cứu Trái đất

Trong kỳ trước, chúng ta đã phân tích khí mê tan có tác động rất nguy hiểm đến khí quyển gây ra biến đối khí hậu. Việc tìm cách lưu giữ mê tan trong tự nhiên gặp nhiều khó khăn về công nghệ và tài chính. Hầu hết các ý tưởng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Viện Hàn lâm Khoa học, kỹ thuật và y học quốc gia Mỹ hiện nghiên cứu các công nghệ tiềm năng này, chấp nhận rủi ro và sẵn sàng thực hiện nhiều phương án. Một số phương pháp tiếp cận đáng chú ý là nhân rộng số lượng vi khuẩn có khả năng ăn khí mê tan.

Những vi khuẩn này, được gọi là methanotrophs, sử dụng enzyme để ăn khí mê tan. Các sinh vật methanotrophs sống trong đất hấp thụ khí mê tan tự nhiên trên toàn cầu khoảng 30 triệu tấn mỗi năm. Trong khi đó, theo Cơ quan Năng lượng quốc tế, các hoạt động của con người trong năm 2022 đã bơm vào khí quyển khoảng 350 triệu tấn khí mê tan. Do vậy, con số 30 triệu tấn mê tan được vi khuẩn hấp thụ là con số ấn tượng.

Dù vậy, các nhà vi trùng học vẫn muốn tìm cách có thể khiến những vi khuẩn này hấp thụ khí mê tan nhiều hơn và nhanh hơn. Lisa Stein, nhà vi trùng học tại Đại học Alberta ở Edmonton, Canada chuyên nghiên cứu về di truyền và đặc điểm sinh học của vi khuẩn này. Cô nói: "Chúng tôi thực hiện nghiên cứu cơ bản để hiểu cách chúng phát triển trong các môi trường khác nhau".

Stein cho biết methanotrophs hoạt động đặc biệt chậm trong môi trường có lượng oxy thấp, như đất ngập nước, bãi chôn lấp hay những nơi có nhiều khí mê tan. Trong những môi trường này, vi khuẩn được gọi là methanogens, tạo ra khí mê tan với tốc độ nhanh hơn các vi khuẩn methanotroph có thể tiêu hóa loại khí này.

Nhưng có thể phát triển các biện pháp cải tạo đất và các cải tiến hệ sinh thái khác để tăng tốc độ hấp thu khí mê tan của vi sinh vật dòng methanotroph. Cô Stein nói các nhà khoa học vật liệu có thể chế tạo một bề mặt để thúc đẩy vi khuẩn methanotroph phát triển nhanh hơn và do đó tăng tốc độ hấp thụ khí mê tan của chúng.

Các nhà khoa học cũng hy vọng có thể vượt qua tốc độ này bằng sự hiểu biết rõ hơn về loại enzyme giúp nhiều sinh vật methanotroph hấp thụ khí mê tan. Methane mono-oxygenase, hay MMO, với sự trợ giúp của đồng được nhúng trong enzyme, sử dụng oxy để phá vỡ liên kết carbon-hydro của phân tử mê tan. Cuối cùng enzyme tạo ra metanol (CH20H) mà vi khuẩn sau đó có thể chuyển hóa.

Việc tăng tốc độ can thiệp của MMO không chỉ có thể giúp loại bỏ khí mê tan mà còn cho phép các kỹ sư đưa methanotrophs vào hoạt động trong các hệ thống công nghiệp. Biến khí mê tan thành metanol sẽ là bước đầu tiên, sau đó là một số phản ứng nhanh hơn, để tạo ra sản phẩm cuối cùng như nhựa hoặc nhiên liệu.

Amy Rosenzweig, nhà hóa học tại Đại học Northwestern ở Evanston (bang Illinois, Mỹ), cho biết MMO không phải là enzyme siêu nhanh. Bất kỳ phản ứng nào liên quan đến MMO sẽ áp đặt giới hạn tốc độ cho quá trình chuyển hóa và không dễ để chúng ta lập trình cho vi khuẩn hành động như dự tính.

Enzyme thường được định hình để phù hợp với chất phản ứng của chúng (trong trường hợp này là mê tan). Vì vậy, việc có được cái nhìn rõ ràng về cấu trúc vật lý của MMO có thể giúp các nhà nghiên cứu điều chỉnh hoạt động của enzyme. Để hình ảnh hóa nó một cách cụ thể, các nhà sinh học thường bắt đầu bằng cách sử dụng một loại chất tẩy rửa đặc biệt để loại bỏ lipid và chất này làm bất hoạt enzyme dến đến việc tạo một bức tranh tổng thể về MMO cũng như hoạt động của nó.

Nhưng đó vẫn chưa phải là toàn bộ bức tranh mà chúng ta cần khám phá về MMO. Rosenzweig hy vọng các nghiên cứu về cấu trúc của mình về MMO, cùng với công việc khác, sẽ sớm tạo ra bước đột phá để giúp ngăn chặn những hậu quả tiếp theo của hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Rosenzweig nói: “Nếu may mắn trong nghiên cứu và thử nghiệm, mọi người có thể tạo ra một chủng vi khuẩn một cách nhanh chóng. Dù sao thử vẫn còn hơn không làm gì hết”.